论文-基于单片机的多功能智能窗的设计.doc
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福州大学至诚学院
本科生毕业设计（论文）
题目：
基于单片机的多功能智能窗的设计
姓名：
赵立
学号：
211214636
系别：
电气工程系
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2012级
指导教师：
俞珊
2016年1月15日
独创性声明
本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。
文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。
特此声明。
论文作者签名：
日期：
关于论文使用授权的说明
本人完全了解福州大学至诚学院有关保留、使用学位论文的规定，即：
学院有权保留送交论文的印刷本、复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅；学院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存论文。
保密的论文在解密后应遵守此规定。
论文作者签名：
指导教师签名：
日期：
基于单片机的多功能智能窗的设计
摘要
在现代家居中，窗户是一个重要的组成部分，可以起到通风透气和挡风避雨的作用，但大部分的窗户设计不够完善，只能简单的人工开关窗户，没有安防报警功能，盗贼进入房间时无法第一时间通知主人，而且在意外情况发生时，使用者完全没有发现的意识，无法及时的解决。
本设计基于STC89C52RC单片机为控制终端，通过传感器检测环境的温湿度、烟雾值、关照强度。
当房间内的可燃气体泄漏时，窗户便会自动开启通风，并且发出警报来提醒主人环境异常，如在下雨天，系统检测环境湿度，能自动关窗，避免雨水溅到室内造成不必要的损失。
如有小偷要进入房间则会碰触传感器，关闭窗户同时发出警报，第一时间提醒主人有小偷进入房间。
光敏电阻放在窗外通过检测亮度，判断白天还是夜晚，可以控制自动关开窗。
可以解决无人在室内时，随着环境的变化，多功能智能窗会做出相应判断，自动开关闭窗户的作用，使室内的财产和安全不会因为环境的变化而造成一定的损失。
同时，具备了传感监测环境的功能随时可以知道环境的变化。
显示窗户的智能化。
从而，大大的改善了生活质量。
关键词：
单片机，智能家居，传感器
Ⅰ
DesignofMulti-functionalIntelligentWindow
BasedonMCU
Abstract
ThesmarthomeInthemodernhome,thewindowisanimportantpartofthecantoventilationandwindandrain,butmostofthewindowsdesignbutperfect,onlyasimplemanualswitchwindows,noalarmfunction,thethievesenteredtheroomcannotfirsttimetoinformtheownerandatthetimeoftheaccident,usersnosenseofdiscovery,nottimelysolve.
ThisdesignisbasedonSTC89C52RCmicrocontrollerasthecontrolterminal,throughthesensortodetectthetemperatureandhumidityoftheenvironment,smokevalue,carestrength.Whentheleakageofcombustiblegasesinsidetheroom,windowswillautomaticallyopenventilation,andsoundsthealarmtoremindtheownerenvironmentalanomalies,suchasonarainyday,systemtodetectenvironmentalhumidity,automaticallyclosingawindow,toavoidtherainsplashedtotheinteriorcausedbyunnecessarylosses.Ifathieftoentertheroomwilltouchthesensor,closethewindowsatthesametimeissuedawarning,thefirsttimetoremindtheownerofathiefintotheroom.Photosensitiveresistorthroughthedetectionofbrightness,todeterminethedayornightonthewindow,cancontroltheautomaticclosingwindow.Cansolveunmannedintheinterior,withthechangeofenvironment,themultifunctionalintelligentwindowwillmakethecorrespondingjudgment,automaticswitchclosingwindow,indoorpropertyandsecurityarenotbecauseofchangesintheenvironmentcausedbyacertaindegreeofloss.Atthesametime,ithasthefunctionofsensingandmonitoringenvironmentatanytimetochangetheenvironment.Makewindowsintelligent,greatlyimprovingthequalityoflife
Keywords:
singlechipmicrocomputer,smarthome,sensor
Ⅱ
目录
第1章绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内的发展现状 1
1.3国外的发展现状 2
1.4研究的课题内容 2
1.5论文的介绍 2
1.6本章小结 3
第2章方案的设计 4
2.1系统的方案架构 4
2.2控制芯片 4
2.2.1控制芯片的选择 4
2.2.2STC89C52RC芯片的介绍 5
2.3温湿度传感器模块 6
2.3.1温湿度传感器模块的选择 6
2.3.2SHT11温湿度传感器 6
2.4电机模块 7
2.4.1电机模块的选择 7
2.4.2芯片ULN2003的介绍 8
2.5显示器模块 8
2.5.1显示器模块的选择 8
2.5.2液晶显示器LCD1602的介绍 9
2.6A/D的转化模块 10
2.7软件设计方案 11
2.8系统特点 13
2.9本章小结 13
第3章硬件电路的设计 14
3.1单片机的最小系统 14
3.1.1介绍单片机的接口 14
3.1.2复位电路 15
3.1.3振荡的时钟电路 15
3.2步进电机模块接口 16
Ⅳ
3.3A/D转化模块的接口 16
3.4本章小结 17
第4章软件设计 18
4.1系统软件设计方案 18
4.1.1单片机计算机系统简介 18
4.1.2单片机计算机系统的客户端应用 19
4.2温湿度传感器程序设计 19
4.3LCD1602模块的设计 20
4.4电机模块的程序设置 21
4.5本章小结 22
第5章系统的调试 23
5.1系统主程序设计 23
5.2系统软硬调试 23
5.3本章小结 25
结论 26
参考文献 27
谢辞 28
附录1部分关键源码及解释 29
Ⅴ
基于单片机的多功能智能窗的设计
第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着今天科学技术的创新和发展，人们的生活水平也随之不断提高，比如：
医院的医疗设备、家庭的家用设备、私人交通设备等等，所有的这些变化让人们的生活更加便捷。
在现代家居中，窗户不但具有良好的装饰和采光等功能，而且还可以阻止灰尘和空气流通。
虽然很多家庭现在用钢结构加强防盗网用于防止盗窃，这样子似乎起到了安全功能，但是在火灾等突发的事件中，防盗网的窗户却让人没有机会逃跑，所以改善窗户的功能性是十分重要的。
在现代工艺中大多数窗口的制作在一定程度上是不完美的，而且没有安全检测功能，一旦发生事故只能靠人工打开或关闭窗口，用户完全没有意识到有些产品没有提供通风的系统，房间一氧化碳或烟雾超过时，不能最快通知主人室内的空气情况，而有些产品没有传感器开关的安全特性，即便小偷入侵也不知道。
而智能的窗户控制系统，不但可以通过检测环境湿度自动关闭窗户，而且室内如果有有害气体窗户会自动，有贼侵入房间便会自动报警，室内温度和湿度太高或太低便会自动开关窗，自动监测和调整环境使窗户真正的智能化，给人们的生活带来了很多的舒适，大大提高了人们的生活质量。
1.2国内的发展现状
在中国通用的智能化装置发展相对而言较晚，而欧洲国家和其他发达国家的智能化早已广泛应用。
10年前电动窗帘已经进入中国，由于没有得到大力推广，电动窗帘一直没有得到相应的发展。
而在这两年，随着电子控制技术的不断发展和价格的下降，智能化开始飞快发展。
今天，在中国多功能智能窗户系统快速发展，在同等的行业中成为佼佼者，也恰恰说明了多功能智能是科技进步的产物，它也将成为我国未来窗户发展的主流。
据报道，在2004年在中国房地产有1亿9000万出售，如果平均每30平方都需要这样的产品，这就可以近几年数百万套这样的新产品需求。
在新的市场下，智能家居多功能智能窗户系统产品将不少于5000万套。
假如多功能智能窗销售额只占3%的市场，它至少可以实现年产值上百万元。
1.3国外的发展现状
在欧美一些国家为了能够更有效地保障居民的生命安全和财产安全，在很早就引入了楼宇智能化，其中在通讯防盗智能窗装置最为常见。
国外许多国家试过运用远程通讯的方法进行监控，实现远程警讯传输。
但是这些方式往往受各种客观条件的限制，比如造价昂贵、信号不稳、易受破坏等，一直无法从根本上解决问题。
集中起来，其缺陷主要有一下几点：
（1）产品配置成本昂贵，一次性的资金投入较大；
（2）可靠性较低；
（3）后期的维护费用偏高。
1.4研究的课题内容
本课题的研究内容如下：
（1）红外传感器模块的软硬件设计，进行信息的探测，从而触发单片机；
（2）步进电机模块的软硬件设计，通过单片机发出指令到驱动芯片ULN2003来驱动步进电机的工作，利用红外接收来实现遥控的控制；
（3）显示器模块的选择和设计，显示温湿度传感器上探测到的信息；
（4）整个系统的软硬件调试及完善。
1.5论文的介绍
根据系统需求，本文完成如下工作：
第1章：
介绍了系统的研究和设计的背景及意义，调查并简述了当前国内多功能智能窗的系统的现状，设计了符合时代发展需要的多功能智能的窗户系统方案；
第2章：
介绍了系统硬件电路，包括核心控制器、检测部分和无线红外接收部分；
第3章：
设计了多功能智能窗的系统功能模块；
第4章：
介绍了Keil4开发环境下的软件编程技术，根据实际需求编写一系列实现手动和自动化的应用程序；
第5章：
介绍了对系统进行软硬件联合调试，以达到系统功能的主要要求。
1.6本章小结
多功能智能化窗户系统的设计能够更好地解决现代家庭一系列的安全隐患问题，简单易操作，保证反应动作的及时性和稳定性。
本章是在了解国内外家居智能的现状，分析了市场上一般的家居智能窗的优缺点的基础上，给出了单片机的多功能智能窗帘系统设计的思路和要求。
第2章方案的设计
本课题的研究内容是基于单片机的多功能智能窗户系统的研究和设计，整个系统的设计是基于目前一般智能家居系统的国内外现状，通过调查和实际研究设计更好的多功能窗帘系统，方法上则是通过采用烟雾及温湿度传感模块，红外传感器模块和红外遥控接收模块来实现窗帘的智能化运行。
2.1系统的方案架构
系统架构如图2-1所示。
图2-1系统的总体架构
多功能智能窗的机械部分的动力由步进电机模块提供，根据现实生活窗户的位子和大小来设计传动部件和窗架。
根据传感器将探测到的环境变化反映到单片机口，由单片机I/O信号的变化（即电平的高低）反应出外界环境的变化，发出指令驱动电机产生动作。
2.2控制芯片
2.2.1控制芯片的选择
方案1：
STM32系列芯片处理器。
该系列芯片采用了基于ARM嵌入式架构中的Cortex-M3内核的处理器，STM32F103为中等“增强型”系列，是属于低功耗的嵌入式处理器。
时钟频率为72MHz，可以通过JTAG接口进行编程与仿真，拥有IC、SPI等主要接口，内置RTC实时钟、GPIO及终端。
方案2：
STC52系列的芯片的选择。
该系列芯片是一类高性价比、而且性能比较好的微处理器，其中的STC89C52RC由内置8位中央处理单元和512字节RAM以及8K片内的程序存储器，外部有32个的双向I/O口、36位定时/计数器和四个外部中断的结构，全双工串行通信也是其中的一个特点，还有时钟的振荡电路，以及多样的封装外型也是单片机的重要组成部分，使其能够适应各种应用场合。
选定方案：
通过仔细比较，认为STC系列的单片机具有处理功能强、性价比高等优势，适合本设计要求的特点，故采用STC89C52芯片作为多功能智能窗的系统的主要控制器。
2.2.2STC89C52RC芯片的介绍
89C52RC单片机不但具备价格低廉、便于上手，而且系统可靠稳定，高性能的8位单片机是采用的CMOS技术制造，这种工艺不仅可靠，而且集成了更多的功能，如时钟输出、向上或向下计数器等。
89C52RC内嵌有8位中央处理单元、0.5KB的RAM、8KB的ROM、3个16位的T0，T1，T2、中断有4个外部中断和一个4级中断结构以及32个通用输入/输出口。
该块单片机的工作电压为5V，其内核的工作电压则为3.3V，总体而言，芯片工作的功耗很小，满足系统的需求，即低功耗、低成本。
89C52RC单片机处理器作为系统的核心，主要配合其他传感模块的检测做出处理[1]。
如图2-2为STC89C52RC芯片的实物图。
图2-2单片机实物图
2.3温湿度传感器模块
2.3.1温湿度传感器模块的选择
方案1：
接触式温湿度传感器。
接触式温湿度传感器通过和待测物体接触来测量的原理，被测物体发生变化传感器也发生相应变化，接触式的传感器在工业和生活中使用比较广泛[2]。
方案2：
数字温湿度传感器。
智能温湿度传感器是基于微电子学技术、计算机控制技术和自动化测试技术，该项产品在集成传感器的领域中是最有发展前途的。
传感器的内部结构由A/D转换器、存储器（或寄存器）和温湿度传感器、接口电路等模块组成。
它具有三个比较显著的特点：
第一个特点；对被测对象的温湿度数据及相关的一些温湿度控制量的输出；第二个特点；高性能、以最简单的方式构成温湿度测控系统；第三个特点；能够通过硬件的基础上使用软件来实现测试的功能。
选定方案：
因为系统测量环境的湿度值的精度要求较高，在加上在测量过程中其他的因数对测量的结果干扰比较大，所以，为了测量的准确性本次设计采用智能的温湿度传感器芯片，来实现更加智能化的测量。
2.3.2SHT11温湿度传感器
SHT11是一款新型的用于测温湿度的数字芯片。
7.6×5×2.5mm是这款SHT11芯片的尺寸，它的体积值只有常用的橡皮擦的体积一半大小。
在出厂之前，厂商对每个传感器都做过精密标准测试。
芯片的标准系数都会被编成相应的程序并且存入校准的存储器里面，它在测量过程中可以对相对湿度进行自动校准在测量工程中[3]。
SHT11广泛应用于电子、汽车、冷暖空调、自动控制等领域。
SHT11的抗干扰能力极强，因为芯片采用数字信号输出，SHT11芯片广泛的应用在温湿度监测、自动控制等领域。
该芯片的特性总结出如下几点：
●相对温湿度值输出可全校准；
●具有长期的稳定性；
●输出功能带有露点值的计算；
●有体积小（7.65×5.08×23.5mm）,可在表面进行贴装；
●在测量时电流消耗为五百五十毫安在休眠时电流消耗为三毫安；
●传输校验功能带有可靠的CRC数据；
●电源的工作范围为2.4-5.5V；
如图2-3为传感器实物图。
图2-3传感器的实物图
2.4电机模块
2.4.1电机模块的选择
方案1：
采用步进电机。
由步进电机的驱动原理可知，步进电机的运行是通过接收驱动器施加的脉冲来转化成电机的脚位移，多个连续的角位移衔接在一起形成电机的运行。
可以通过给驱动脉冲数量来控制步进电机在一个周期内控制角位移量，从而达到想要的控制角度。
通过控制给脉冲的速度来控制电机转动的速度还有加速度，这就是调速的原理[4]。
ULN2003芯片可以用来驱动小型的步进电机：
每个脉冲都可以通过转化成电机转动精确的角度，并且能持续地将电脉冲转换成特定的旋转运动。
方案2：
采用普通的直流电机。
直流电机的工作电流比步进电机要比大的多，L298N这类的驱动芯片用于驱动相对比较小型直流电机，普通直流电机成本较低并且不占用单片机I/O口，节约了单片机CPU资源，满足本系统设计要求，使用起来更加便捷。
直流电机采用单片机输出PWM波控制来控制。
综合以上，考虑到整体设计的供电，简化系统电路，因此采用方案1。
2.4.2芯片ULN2003的介绍
步进电机原理设计如下：
通过单片机产生脉冲信号传递到驱动芯片上来驱动步进电机，脉冲信号的占空比为0.2到0.6左右，信号分配是按规定的顺序发送脉冲序列是通过某种控制给出的顺序，便可实现步进电机的正反转。
按照设计要求，步进电机工作节拍的通电顺序是A→AB→B→BC→C
→CD→D→DA→A。
正反转的控制原理：
用单片机输出的四个接口的为一组控制位。
本设计中，步进电机的四项绕组分别接单片机的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3。
采用ULN2003芯片驱动模块，原理图如图2-4所示。
图2-4ULN2003原理图
2.5显示器模块
2.5.1显示器模块的选择
方案1：
LCD1602液晶的显示屏。
LCD1602又名1602字符型液晶，它的功能可以显示数字、字母以及一些特殊的符号等的液晶模块。
它是有两种型号，一种是由若干个5×7，一种是由5×11的点阵字符位组成[5]。
LCD1602的屏幕显示由多个点阵组成的，每个点阵对应一个字符，在每个字符之间还存在间隔，而这些间隔为一个点距，上下两行之间也有点距，其作用是为了隔开字符和隔开行距。
方案2：
LCD12864液晶显示屏。
LCD12864是能够显示图像的液晶显示模块。
它的体积大小为手机屏幕的一半，能够显示16×16点阵的汉字。
操作简便。
主要运用在工业仪器仪表方面，比如可利用该模块实现全中文的人机交互图形界面。
选定方案：
综上所述，LCD12864液晶显示屏的价格相对比较高一些，而LCD1602液晶的显示屏满足本设计对显示器模块功能的要求，且简单易行，故采用LCD1602液晶显示屏多功能智能窗的显示器模块。
2.5.2液晶显示器LCD1602的介绍
LCD1602字符液晶显示器屏幕类似SMT89C52RS芯片体积大小，是点阵型的显示模块。
该模块在出厂之前就已经把160个字符字模固化在控制模块和驱动模块中。
用户只要将需要显示字符的ASC-II的数据送入显示数据库自动生成其对应的字符字模。
LCD1602特性：
（1）带有的数据存储器DDRAM有80字节；
（2）内建有字符发生器CGROM；
（3）提供多种控制命令；
（4）工作电压在3.3V或5V，对比度可通过电位器调节；
（5）用户自定义的5X7的字符发生器有八个；
（6）系统自带复位电路。
1602液晶显示器的外观如图2-5所示。
图2-5液晶显示器
1602管脚说明表如表2-1所示。
表2-11602管脚说明表
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
续表2-11602管脚说明表
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
低4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
低4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
低4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
低4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
2.6A/D的转化模块
A/D转换即把模拟信号转换成数字信号，然后做出相应的输出。
在进行A/D转换时要注意：
第一点是要确定A/D转换的位数，在一般情况下是运用八位A/D转换器，本芯片就是采用八位的；第二点是要测量控制的范围和精度有密切的关系，因为系统精度涉及到传感器的变换精度和信号预处理电路的精度A/D转换器还有输出电路[6]。
当A/D芯片的CS口输入低电平时，ADC0832开始工作，同时单片机向时钟输入端CLK提供脉冲，此时，DI端有效，使用DI的输入通道功能选择数据信号，在时钟脉冲下沉之前DI端口都是高电平直到时钟脉冲下沉之前。
在第2个时钟脉冲下沉之前DI端口应输入两位数据用于选择通道功能[7]。
而当CS输入高电平时，ADC0832处于未工作的状态。
如表2-2为ADC0832芯片引脚说明表。
表2-2ADC0832型号芯片
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